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Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont)
El conjunto de las ecuaciones de Ebers-Moll, junto con las ecuaciones de polarización de continua (impuestas por el circuito de polarización exterior, darán lugar al régimen de corrientes y tensiones que se establezcan en los terminales del dispositivo, denominado punto de operación del transistor.
El modelo de Ebers Moll es un modelo poco manejable, pero válido en cualquier circunstancia, siempre que no entren e ruptura ninguna de las uniones.
Según como estén polarizadas las uniones, pueden encontrarse modelos basados en el anterior, pero mas sencillos y manejables.
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Regiones de Polarización de un transistor bipolar
Existen cuatro posibles regiones, según como estén polarizadas las uniones base- emisor y base-colector
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Modelos simplificados según la región de polarización
Región Activa Normal (R.A. Directa)
La unión base-emisor polarizada directamente y la unión base-colector polarizada inversamente.
De las ecuaciones de Ebers-Moll se deduce :
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Modelos simplificados según la región de polarización .- R.A.D. (R.A.N.)
Región Activa Normal (R.A. Directa)
Por tanto:
y teniendo en cuenta que:iC+iB=iE :
Se deduce que:
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Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.
Por tanto, podemos decir que en la R.A.N. .el transistor bipolar equivale al siguiente circuito:
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Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.(CONT)
(Gp:) 0,2
(Gp:) 0,7
(Gp:) 0,7
(Gp:) 0,2
(Gp:) (a) Región activa
Es decir: vBE=VBEQ iC=ß iB
Por tanto el transistor funciona como un
amplificador de corriente
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Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.(CONT)
La figura d) representa un BJT NPN, en el límite de la R.A.N
La figura f) representa la exponencial que relaciona iC con vBE cuya expresión viene dada (pag14) por:
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Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.(CONT)
En la R.A.N, se verifica que:
Esta expresión es muy importante, ya que para transistores idénticos y a la misma temperatura, si tienen la misma tensión base-emisor, tendrán la misma corriente de colector.
(Esta propiedad se emplea mucho en C.integrados, para implementar fuentes de corriente constante )
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Modelo simplificado del BJT en la Región de Saturación
La unión base-emisor polarizada directamente y la unión base-colector polarizada también directamente.
(Gp:) 0,7
(Gp:) 0,2
(Gp:) 0,2
(Gp:) 0,7
(Gp:) (b) Región de saturación
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Modelo simplificado del BJT en la Región de saturación (Cont)
La unión base-emisor polarizada directamente y la unión base-colector polarizada también directamente.
En el límite de la región de saturación a la R.A.N., vBE vale aproximadamente 0,7 voltios, y vBC= tensión umbral=0,5 voltios, por lo que VCE valdrá 0,2 voltios, por eso se modela la tensión VCE como una fuente de tensión constante de 0,2 voltios, aunque puede ser menor.
La tensión VBE en saturación, debido a que la corriente de base suele ser bastante elevada, puede llegar a ser de 0,8 voltios en transistores de baja potencia
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Modelo simplificado en la región de corte
La unión base-emisor polarizada inversamente y la unión base-colector polarizada también inversamente.
En transistores de Si, a temperaturas no muy elevadas, IB=IC=0
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Modelo simplificado en la región de corte (Cont)
La unión base-emisor polarizada inversamente y la unión base-colector polarizada también inversamente.
Un modelo de mayor exactitud, de las ecuaciones de Ebers Moll, es no despreciar los términos en IS
Un parámetro que suelen dar los fabricantes es ICB0 , (corriente de circulación inversa entre colector y base , con el emisor abierto.
Se deduce fácilmente que :
(Parámetro muy dependiente de la temperatura)
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Modelo simplificado en la región activa inversa
La unión base-emisor polarizada inversamente y la unión base-colector polarizada directamente.
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Modelo simplificado en la región activa inversa (Cont)
En funcionamiento activo inverso los papeles de emisor y colector se invierten, respecto a la región activa directa.
La corriente de emisor es ßR iB, donde:
El sentido real de las corrientes iE e iC es ahora el contrario del indicado en la figura (b)
Como ßR es mucho menor que ßF, la ganancia en esta región es muy pequeña, y no tiene ninguna utilidad trabajar en ella.
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Ejemplo de análisis del P.O. De un transistor
(Gp:) (a) Circuito real
(Gp:) (b) Circuito equivalente
suponiendo funcionamiento
en la región de corte
(Gp:) (c) Circuito equivalente
suponiendo funcionamiento
en la región de saturación
(Gp:) (d) Circuito equivalente
suponiendo funcionamiento
en la región activa
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Aplicaciones del transistor
Polarizado en la Región activa directa: Funcionamiento aproximadamente lineal.
Amplificadores de tensión, de corriente ,fuentes de corriente, adaptación de impedancias, cargas activas…
Empleo masivo en circuitos integrados lineales y no lineales
Polarizado en corte o en saturación:
Funcionamiento como conmutador de alta frecuencia y de potencia.
Actualmente la utilización del transistor bipolar discreto está prácticamente limitada a etapas de salida y como conmutador
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Polarización del transistor. Ecuaciones de polarización. Recta de carga
Para que el transistor funcione en alguna de las regiones, es necesario polarizarlo mediante una red externa de continua.
El transistor es un dispositivo de tres terminales.
Para definir su estado, o lo que es lo mismo, las corrientes y tensiones existentes en el dispositivo, debemos conocer seis variables:
IB, IC, IE, VBE,VBC, y VCE.
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Polarización del transistor. Ecuaciones de polarización.(Cont)
De las seis variables, IB, IC, IE, VBE,VBC, y VCE, nada mas son independientes 4, ya que por las leyes de Kirchof,
IB+IC=IE
VBC+VCE=VBE
Tomaremos normalmente las variables IB, IC,VBE y VCE
Por tanto necesitamos cuatro ecuaciones para resolver las corrientes y tensiones en el transistor.
Dos ecuaciones nos las proporciona el modelo del dispositivo.
Las otras dos ecuaciones nos las proporcionará la red de polarización externa
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Polarización del transistor. Ecuaciones de polarización.(Cont)
La red de polarización externa es de continua.
Las dos ecuaciones que impone la red de polarización en continua se denominan:
“ ECUACIONES DE POLARIZACIÓN”
En Régimen de tensiones y corrientes constantes, en ausencia de señales, el circuito estará compuesto exclusivamente por:
Fuentes de tensión continuas y constantes.
Fuentes de corriente continuas y constantes.
Resistencias
Las capacidades las podremos considerar C.A. Y las autoinducciones C.C.
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Ecuaciones de polarización.(Cont)
Cualquier circuito externo de polarización en continua, lo podemos reducir a otro totalmente equivalente compuesto por tres resistencias y dos fuentes de tensión constantes, en una generalización del Teorema de Thévenin aplicado a triterminales:
VBE=EBE-RBIB-REIE
VCE=ECE-RCIC-REIE
Pero: IB+IC=IE
Por tanto:
VBE = EBE – (RB+RE) IB – RE IC
VCE = ECE – RE IB – (RC+RE) IC
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